中国电力系统转型中的关键金属约束：子技术影响与循环经济缓解措施

《Resources, Conservation and Recycling》：Critical metal constraints in China’s power system transition: sub-technology impacts and circular economy mitigation

　　

吴海峰|严琴文|彭淑琳|顾阿伦

清华大学能源、环境与经济研究所，北京100084，中国

摘要

中国的碳中和电力转型将从根本上重塑关键金属的需求。本研究利用组件级别的材料强度数据库，预测了2010年至2060年14种关键金属的需求变化和供应风险，考虑了三种不同的子技术情景。结果表明，累计金属需求将超过装机容量的增长速度；在不同子技术选择下，混合应用、单一应用和单一技术主导的金属的累计需求变化幅度分别为1%–25%、4%–96%和62%–400%。铂（Pt）、铱（Ir）、锂（Li）、铀（U）、钴（Co）、镍（Ni）和锑（Sb）的供应风险较高。循环经济是缓解这些风险的核心途径，但其效果在很大程度上取决于政策制定的时机。到2060年，在高回收率情景下，二次供应将满足铝（Al）、锑（Sb）、镍（Ni）、钕（Nd）、锂（Li）、镧（La）和钇（Y）41%–98%的需求，并超过铂（Pt）、铱（Ir）、钛（Ti）和钪（Sc）的年需求。相反，如果政策延迟10年，累计回收量可能会减少多达36%。政策制定者应优先考虑高风险金属的战略储备和国际合作，同时加快回收基础设施的部署。

引言

构建以新能源为主体的新电力系统对于实现碳中和目标至关重要。这种系统不仅包括低碳发电，还涵盖使用和存储领域（国家能源局，2023年）。关键金属在光伏（PV）、风能和氢能等低碳技术中发挥着不可或缺的作用，是新电力系统建设和发展的基础。据预测，到2040年，由于风能、光伏、新能源汽车（NEVs）和储能系统的推动，中国对锂（Li）、钴（Co）和镍（Ni）等战略金属的年需求将比2020年的基准水平增长8到12倍（P. Wang等人，2022年）。然而，中国的关键金属静态储备与生产比率之间存在差距（Chen等人，2022年）。因此，提高关键金属的未来回收潜力已成为有效降低供应风险的重要措施。

鉴于当前关键金属资源供应紧张，提高其未来回收潜力已成为缓解供应风险的关键策略。关键金属的使用强度在不同子技术路径中有所不同。技术路径的选择直接影响关键金属的需求类型和规模，从而导致不同的供应风险机制（Dong等人，2025年；Gervais等人，2021年）。子技术的选择可以在系统层面重塑特定金属的供需格局。因此，构建新电力系统需要深入研究技术选择对关键金属需求的影响，并量化循环经济在缓解资源约束方面的作用。

目前关于低碳技术关键金属需求的研究主要集中在电力系统的特定领域，如光伏（Gervais等人，2021年；Lennon等人，2022年；Ren、Tang和H??k，2021年）、风能（Fishman和Graedel，2019年；Li等人，2020年；Ren等人，2021年）、新能源汽车（NEVs）（Dong等人，2024年；Lu等人，2023年；Sun等人，2025年）、氢能（Wang等人，2024年；Zhen等人，2025年）或发电行业（Dong等人，2025年；Elshkaki和Shen，2019年；Liang等人，2023年；S. Wang等人，2023年；Wei等人，2022年）。很少有研究（Deetman等人，2021年）全面考虑整个电力系统的整体金属需求。此外，现有研究使用的数据往往缺乏时效性，未能充分反映行业前沿的发展情况或考虑组件级别的材料，导致不同研究之间的金属强度数据存在差异（Liang等人，2022年，2023年；S. Wang等人，2023年）。

现有文献中的金属强度数据粒度可以分为组件级别、子技术级别和单一技术级别，其中个别技术还可以进一步细分为更小的子技术（Dong等人，2025年；Dong等人，2024年；Liang等人，2022年，2023年；Wang等人，2024年）。然而，这种细分程度与当前行业趋势仍存在差距。例如，在光伏领域，子技术通常分为晶体硅、铜铟镓硒化物、镉碲化物和砷化镓技术。后三种技术的市场份额目前不到1%（CPIA，2025年）。晶体硅技术几乎占据了整个光伏市场，可以进一步细分为铝背场电池（BSF）、钝化发射极和背电池（PERC）以及隧穿氧化物钝化接触电池（TOPCon）技术。此外，现有研究未能跟上新兴行业趋势，可能导致研究结果与实际工业需求之间存在差异。

在碳中和目标的背景下，关键金属的支撑作用日益突出（Sovacool等人，2020年）。随着金属需求的快速增长，现有资源和回收能力的开发面临挑战（Al-Alimi等人，2024年；Kong等人，2024年；Liang等人，2023年；Ying等人，2024年）。现有研究探讨了循环经济在缓解低碳技术关键金属供应风险中的作用（Dong等人，2024年；Liu等人，2024年；Zhen等人，2025年；Ziemann等人，2018年）。然而，大多数研究仅关注特定的低碳技术或单一金属，缺乏对整个电力系统各部分整体金属回收潜力的系统分析。这使得在评估关键金属的全面供应风险和回收潜力时难以获得全面和深入的理解。

为了填补现有研究的空白，本研究旨在解决三个关键问题：（1）如何更细致地评估中国电力系统中的关键金属需求；（2）子技术选择如何重塑需求格局和供应风险；（3）循环经济在多大程度上可以定量缓解这些风险。通过解决这些问题，本研究通过整合实地调研和现有文献的系统回顾，建立了一个全面且及时的金属强度数据库。该数据库覆盖2010年至2060年期间21种不同子技术中的14种关键金属，能够定量评估电力系统转型、子技术演变与关键金属需求之间的关系。研究结果旨在为制定国家矿产资源安全政策和积极部署关键金属回收系统提供参考。

章节摘录

评估电力系统转型中的关键金属需求

本研究中的电力系统范围包括三个主要领域：发电、能源使用和存储。发电领域包括集中式光伏、分布式光伏、陆上风能、海上风能、水力和核能。使用领域涵盖电池和混合动力电动汽车（BEVs/HEVs）。存储领域包括氢能、抽水蓄能和电化学储能。值得注意的是，光伏和风能的材料强度评估

中国电力系统转型的关键材料约束

根据中国的碳中和目标，电力系统的低碳转型需要大量的关键金属资源。在中等情景（S2）下，不同金属的累计需求从数千吨到数亿吨不等（图1a）。具体而言，铝（Al）的累计需求达到2.36亿吨，其中光伏和新能源汽车分别贡献了31%和68%。对于光伏玻璃生产至关重要的锑（Sb），其累计需求为4.1万吨。

讨论

本研究系统地评估了中国电力系统向绿色和低碳转型过程中14种关键金属的未来需求。通过建立组件级别的数据库以实现高分辨率评估，研究发现，由电力系统转型驱动的关键金属累计需求相对于累计装机容量呈现超线性增长。这一现象主要是由于动态退役和

结论

本研究为电力系统构建了一个精细的关键金属强度数据库，并应用了DMFA模型，系统地评估了2021–2060年碳中和转型路径下关键金属的需求变化、供应风险和循环经济的缓解潜力。主要结论如下：

1.

电力系统的转型将导致关键金属需求相对于装机容量呈现超线性增长。 这主要是由于现有技术的生命周期更替

CRediT作者贡献声明

吴海峰：撰写——初稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。严琴文：撰写——初稿、可视化、正式分析、数据管理。彭淑琳：撰写——初稿、验证、数据管理。顾阿伦：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（72140003）的资助支持。